磷石膏分解产物水解捕集二氧化碳过程机理及数值模拟研究

Yunnan is a province with the distinguishing feature property of phosphorous and coal industry. Large amount of phosphogypsum (PG) which is a waste by-product from the wet acid method has not only occupied a lot of land resources, but also caused serious pollution to the ecological environment. Aiming to the existing problems of phosphogypsum resource utilization such as difficult process control and high energy cost, the process of preparing calcium carbonate from the hydrolysate of phosphogypsum decomposition products and CO2 capture is put forward, in which CO2 is captured and used as raw material to produce high-value chemical products (or related by-products), which will realize the utilization of phosphorusgypsum and the reduction of carbon dioxide emission with lower power consumption. In this project, the hydrolysis process of phosphogypsum decomposition products and the crystallization behavior of calcium carbonate and carbon dioxide capture will be studied. The removal mechanism and control mechanism of impurities in phosphogypsum will be clarified. The reaction control mechanism of ionic interphase transfer in hydrolysis will be revealed. Furthermore, the meso-scale behavior and cross-scale correlation mechanism of the microscale of particle nucleation and growth, the mesoscale of intergranular agglomeration and broken, the macroscale of reaction crystallization system will be researched. Theoretical foundation can be lie for further research and engineering magnification.

云南作为磷煤化工为特色优势产业省份，湿法磷酸产生的固废磷石膏大量堆放不仅占用大量土地而且造成严重生态环境污染。因此，本项目针对目前磷石膏资源化利用存在的过程控制难、能耗高等问题，提出了磷石膏分解产物水解液相捕集二氧化碳制备碳酸钙，即固体废物磷石膏矿化二氧化碳联产高附加值的化工产品技术路线，以实现低能耗下磷石膏资源化利用及二氧化碳减排的目的。项目主要研究磷石膏分解固体产物多相流状态下水解过程以及二氧化碳捕集与碳酸钙反应结晶行为；明确磷石膏中杂质的去除机理以及控制机制；揭示水解过程中离子相际传质-反应控制机理以及反应结晶过程中所涉及的颗粒成核和生长的微尺度、颗粒间团聚和破碎的介尺度、反应结晶系统的宏尺度间多尺度行为与跨尺度关联机制。研究结果为进一步工程设计奠定理论基础。

云南作为磷煤化工为特色优势产业省份，湿法磷酸产生的固废磷石膏大量堆放不仅占用大量土地而且造成严重生态环境污染。本项目针对目前磷石膏资源化利用存在的过程控制难、能耗高等问题，提出了磷石膏分解产物水解液相捕集二氧化碳制备高附加值碳酸钙产品的技术路线，以实现低能耗下磷石膏资源化利用及二氧化碳减排的目的。经过研究，对于磷石膏分解产物水解过程：研究中在化学合成工作站平台基础上进行水解过程实验，明确了过程热力学变化及钙、硫离子的变化迁移过程机理。通过实验数据与水解过程群体平衡方程（the population balance equations, PBEs）的构建确定水解动力学基本参数并且揭示水解过程动力学基本规律，明确多相条件下硫化钙传质-反应控制因素以及对水解反应过程的影响。同时研究了各种杂质对水解过程的影响及控制机制，明确揭示了部分可溶性杂质、难溶性杂质和共晶型杂质在水解过程中的相变、反应以及液固分离过程机理。对于二氧化碳捕集碳酸钙结晶过程：二氧化碳捕集过程中研究明确了二氧化碳由气、液、固界面传递过程机理、控制因素及二氧化碳捕集过程动力学模型。结果表明温度对二氧化碳分离效率的影响要比对碳化率的影响要明显，随着温度的升高二氧化碳的捕集效率明显提高；气相二氧化碳分压对二氧化碳捕集能力及效率的影响更明显。研究通过在线实验数据结合PBM（Population balance model）模型求解，建立碳酸钙结晶成核、生长动力学模型。并且采用PBM 模型与CFD（Computational Fluid Dynamics）计算流体力学耦合的数值模拟计算方法研究得到了在多相条件下碳酸钙反应结晶过程中多尺度行为以及各个尺度之间关联机制，为最终过程的进一步中试及工艺推广提供理论数据及依据。同时通过表征分析碳酸钙结晶产品纯度大于93%，固相产物中仅包含方解石和球霞石。通过以上研究，对磷石膏分解产物水解以及液相捕集二氧化碳制备碳酸钙工艺过程提供新的系统理论及科学解释，为磷石膏资源化利用耦合二氧化碳减排进一步应用提供理论数据和支撑。